[논문 리뷰] Cosmic Ray Modulation studied with HelMod Monte Carlo tool and comparison with Ulysses Fast Scan Data during consecutive Solar Minima

P. Bobík, G. Boella외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 19.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2006–2009년 연속적인 태양활동 최소기 동안 우주선 조절을 시뮬레이션하기 위해 HelMod 2D 몬테카를로 코드를 사용한다. 이는 중성자 모니터링으로 유도된 시간에 따라 변하는 확산 계수를 포함하고, 자기장 비틀림 효과도 반영한다. 모델은 행성계에서의 양성자 및 전자 위도 강도 기울기를 성공적으로 재현하며, 입자 전하와 행성간 자기장 극성(qA > 0 대비 qA < 0)이 극지역으로의 우주선 이질적 침투를 통제한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The Cosmic Rays propagation was studied in details using the HelMod-2D Monte Carlo code, that includes a general description of the diffusion tensor, and polar magnetic-field. The Numerical Approach used in this work is based on a set of Stochastic Differential Equations fully equivalent to the well know Parker Equation for the transport of Cosmic Rays. In our approach the Diffusion tensor in the frame of the magnetic field turbolence does not depends explicitly by Solar Latitude but varies with time using a diffusion parameter obtained by Neutron Monitors. The parameters of the Model were tuned using data during the solar Cycle 23 and Ulysses latitudinal Fast Scan in 1995. The actual parametrization is able to well reproduce the observed latitudinal gradient of protons and the southward shift of the minimum of latitudinal intensity. The description of the model is also available online at website www.helmod.org. The model was then applied on Pamela/Ulysses proton intensity from 2006 up to 2009. The model during this 4-year continous period agree well with both PAMELA (at 1 AU) and Ulysses data (at various solar distance and solar latitude). The agreement improves when considering the ratio between this data. Studies done also with particles with different charge (e.g. electrons) allow us to explain the presence (or not) of protons and electrons latitudinal gradients observed by Ulysses during the Latitudinal Fast Scan in 1995 and 2007.

연구 동기 및 목표

• ecliptic 평면을 초월하여 태양활동 최소기 동안의 우주선 조절을 연구하기 위해 HelMod 몬테카를로 모델을 확장하는 것.
• 2006–2009년 동안 유리시스의 고속 스캔 데이터와 1 AU에서의 PAMELA 측정치와의 비교를 통해 모델을 검증하는 것.
• 자기장 비틀림과 행성간 자기장 극성이 위도 기반 우주선 강도 기울기를 어떻게 형성하는지 조사하는 것.
• 서로 반대되는 IMF 극성 단계에서 관측된 양성자 및 전자 강도 기울이의 비대칭성을 모델이 재현할 수 있는지 확인하는 것.
• 입자 전하와 동원도가 행성계 위도에 걸친 우주선 분포에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• HelMod 몬테카를로 코드를 사용한 스토케스틱 미분 방정식 접근을 통한 페일러 운반 방정식의 수치적 해법.
• 중성자 모니터링 데이터로부터 유도된 시간에 따라 변하는 확산 계수를 포함하며, 반경 방향 의존성은 ∝ r, 동원도 의존성은 ∝ P/1 GV이다.
• 헬리오스피어 전류면의 기울기 각도에 비례하여 스케일링된 자기장 비틀림 속도 성분(반경 방향, 위도 방향, 중성면 비틀림)을 포함한다.
• 100 AU에서의 경계 조건을 갖는 2D(반경 및 여수직각) 행성계 기하 구조를 사용하며, 지구 궤도로의 내향적 통합을 수행한다.
• 유리시스 궤도 전역에서 1.7 GV 동원도에서의 양성자 및 전자 강도를 시뮬레이션하고, 지구 궤도 값으로 정규화하며 남극에서 평균화한다.
• 모델 출력 결과를 유리시스 KET 및 PAMELA 데이터와 비교하며, 체계적 오차를 최소화하기 위해 상대 강도 비율에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HelMod 몬테카를로 모델은 2006–2009년 태양활동 최소기 동안 유리시스가 관측한 우주선 양성자 강도의 위도 기울기를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ2 자기장 비틀림은 어떻게 행성계 위도에 걸친 우주선의 이질적 분포를 형성하는가?
• RQ3 입자 전하와 행성간 자기장 극성의 곱의 부호(qA)가 우주선이 극지역으로의 침투에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 모델은 같은 동원도에서 양성자와 전자 간의 강도 기울이의 반전을 관측된 바와 같이 재현할 수 있는가?
• RQ5 2007년 고속 스캔 기간 동안 서로 반대되는 IMF 극성 단계(A > 0 및 A < 0)에서 모델의 성능은 관측 데이터와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• HelMod 모델은 2006–2009년 태양활동 최소기 동안 관측된 양성자 강도의 위도 기울기를 성공적으로 재현하며, 유리시스 및 PAMELA 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• 1.7 GV 동원도에서의 양성자에 대해, 비틀림 효과를 배제할 경우 모델은 유의미한 위도 기울기를 예측하지 못하지만, 비틀림 효과를 포함하면 강한 기울기가 나타난다.
• 입자 전하와 IMF 극성을 고려할 경우(qA > 0), 모델은 극지역으로의 우주선 침투가 증가함을 예측하며, 이는 2007년 고속 스캔 기간 동안의 관측과 일치한다.
• 동일한 동원도에서 전자에 대해서는 양성자와 반대되는 기울기를 예측하며, 이는 유리시스가 관측한 전하 의존적 조절 효과를 확인한다.
• 모델은 qA > 0 조건이 우주선의 극지역 접근을 유리하게 만들고, qA < 0 조건은 위도에 걸쳐 더 균일한 분포를 초래함을 보여준다.
• 유리시스 궤도와 지구 궤도 강도의 비율은 모델에 의해 잘 재현되며, 가장 가까운 접근 시 정규화된 값이 1에 가까워 체계적 오차에 대한 강건성을 확인한다.